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Un nouveau modèle pour mieux comprendre les filières énergétiques

Bien comprendre les filières énergétiques

Scientifique de Sporttesting qui analyse des données physiologiques sur ordinateurs - filières énergétiques

La première loi de la thermodynamique, également connue sous le nom de loi de conservation de l'énergie, stipule que l'énergie ne peut être ni créée ni détruite : elle peut être convertie d'une forme en une autre (travail, chaleur) mais la quantité totale d'énergie reste invariable. Ce qui veut dire que contrairement aux idées reçues, et conformément à cette loi, les filières énergétiques ne créent pas d'énergie. L'énergie est transférée d'un état à un autre.

Par exemple, nous obtenons des électrons de la nourriture que nous mangeons et de l'oxygène de l'air que nous respirons, les électrons et l'oxygène se rencontrent dans les mitochondries (souvent appelées la « centrale énergétique » de la cellule) pour transformer l'énergie libre en une forme que nous pouvons utiliser dans notre corps. Plus la capacité de notre système énergétique est élevée, mieux nous pouvons transformer l'énergie libre en une forme utilisable, l’ATP (Adénosine Tri Phosphate), c’est la molécule porteuse d'énergie dans les cellules et c’est grâce à cette molécule que nos muscles se contracte. Les réserves intramusculaires d’ATP sont très faibles, alors pour produire de l’ATP, l’organisme va utiliser les substrats issus de l’alimentation (glucides, lipides, protéines).

On peut donc dire que le rôle majeur des filières énergétiques est de reconstituer l’ATP.

Quand on parle de filières énergétiques, on entend souvent parler de deux modes de production d'énergie : anaérobie et aérobie. Le premier peut être divisé en la voie du phosphagène (ATP et phosphocréatine) et de la glycolyse, qui se produisent en l'absence d'oxygène (ce qui n'est en réalité pas vraiment le cas) et le second peut être classé comme la voie oxydative, ce qui signifie que l'oxygène est nécessaire à sa fonction.

Schéma traditionnel des filières énergétiques

Schéma des filières énergétiques - anaérobie alactique - anaérobie lactique et aérobie en %Pmax par rapport au temps en secondes.
Source : reussirsonbpjeps.com

Ce modèle montre que tous les systèmes énergétiques fonctionnent en même temps, du moins sur les premieres secondes de l’effort, avec des contributions différentes. Ce modèle dit que de 0 à 15 secondes, nous utilisons principalement les réserves de phosphagène « anaérobie alactique » (avec une petite contribution du système glycolytique et oxydatif), puis après 15 secondes jusqu'à 2 minutes, nous comptons sur le système glycolytique « anaérobie lactique », jusqu'à ce que nous passions finalement à compter uniquement sur les processus oxydatifs « aérobie » pour produire de la puissance. La limite de ce modèle est qu’il stipule que les processus aérobie et anaérobie se produisent indépendamment les uns des autres. En réalité, toutes les filières sont liées.

Nous allons essayer ici de proposer une version plus à jours de ce modèle, bien que surement encore imparfaite.

Nous commencerons d'abord par parler de la filière des phosphagènes, puis de la filière glycolique, de la filière oxydative et enfin nous évoquerons la mise à jour du modèle des filières énergétiques.

1. La filière des phosphagènes

Athlète avec masque vo2max en plein effort - montagne en arrière plan - filières énergétiques - phosphagènes
> Coureur : RunMotion

La filière des phosphagènes représente les sources d'énergie immédiates. La source majeure de cette filière est l'ATP, qui est souvent appelé la « monnaie énergétique du corps ». Dans le processus cyclique de la contraction musculaire, l'ATP est continuellement décomposée pour libérer l'énergie stockée, puis reconstitué. Le processus de décomposition de l'ATP s'appelle l'hydrolyse et le processus de reconstitution se produit par phosphorylation. L'hydro dans l'hydrolyse fait référence à l'eau, et le « phospho » dans la phosphorylation fait référence à un phosphate qui est une particule chargée qui contient le phosphore minéral. La réaction d'hydrolyse de l'ATP s’écrit : ATP + H2O → ADP + Pi.

La seconde source d’énergie de cette filière est la phosphocréatine, abrégée comme PCr (ou créatine phosphate abrégée comme CP). Dans un muscle au repos, il y a environ 5 à 6 fois plus de phosphocréatine qu'il n'y a d'ATP. Au sein des muscles, la PCr fournit la réserve de phosphate nécessaire à la régénération de l'ATP à partir de l'ADP. La réaction entre PCr et ADP est catalysée par l'enzyme créatine kinase dans la réaction suivante : PCr + ADP → ATP + C.

Ainsi, l'ATP hydrolysé en ADP lors de la contraction musculaire est rephosphorylé par la PCr. Nous pouvons donc superposer ces réactions comme : ATP + H2O → ADP+Pi. L'ADP de la première réaction est ensuite reconverti en ATP dans la réaction suivante : ADP + PCr → ATP+C.

La troisième source d'énergie immédiate dans le muscle implique l'enzyme myokinase (qu’on appelle aussi adénylate kinase). Elle génère 1 ATP à partir de 2 ADP dans la réaction suivante : ADP + ADP → ATP + AMP

Pour durer dans l’effort, ces sources d’énergies immédiates ne suffisent pas car leur elles ne génèrent pas assez d’ATP, la cinétique de dépense est rapide et les réserves sont faibles. C’est pourquoi lors d’effort prolongé nous avons besoin d’autres filières pour maintenir la production d’énergie nécessaire à la contraction.

2. La filière glycolitique

Scientifique Sporttesting analyse données physiologiques sur un bateau avec un athlète d'aviron - filières énergétiques - glycolitique
> Découvrir notre intervention auprès du Club Nautique de l'Oise

Les sources d'énergie de la filière glycolitique sont le glucose et le glycogène, qui sont décomposés respectivement au cours du processus de glycolyse et de glycogénolyse.

La réaction est la suivante : Glucose + 2 ADP + 2 Pi → 2 ATP+ 2Lactate + 2 H2O.

Dans les muscles squelettiques, la concentration de glucose libre est très faible, donc la majeure partie de l'énergie de cette filière provient du glycogène. Cependant, les réserves de glycogène musculaire sont relativement faible, c’est ce qui limitera cette filière.

La quantité d'ATP généré par la filière glycolitique est plus importante que la filière des phosphènes, mais cela représente encore qu'une petite fraction de l'énergie totale. Le plus grand pourcentage d'énergie disponible provient de la filière oxydative.

3. La filière oxydative

Athlète en plein effort avec masque vo2 max - filières énergétiques - oxydative
> Coureur : RunMotion

Les différentes voies du système oxydatif sont le cycle de Krebs ou la bêta-oxydation. Dans ce système, les glucides et les lipides sont les principales sources d'énergie et ils sont convertis en ATP dans les mitochondries de la cellule.

Les ressources d’énergie utilisé par cette filière sont globalement illimitées (pour les lipides les réserves sont très grandes dans le corps humain et pour les glucides, ils peuvent provenir du glycogène mais aussi d’un apport exogène par des gels ou de la boisson énergétique). De plus, du fait d’un processus d'oxydation plus long et plus complexe, il y a une plus grande opportunité pour la transduction d'énergie de se produire (l’oxydation du glucose par la voie glycolitique produit 2 ATP contre 36 ATP par la voie oxydative), ainsi cette filière à la plus grosse capacité de production d’énergie.

La réaction à partir du glucose est la suivante : Glucose + O2 → 36 ATP + H2O + CO2. L’oxydation des lipides produit quant à elle, 129 ATP.

4. Les nouvelles connaissances sur les filières énergétiques

Scientifique Sporttesting équipe coureur de matériel de mesure physiologique - filières énergétiques

Pour rappel, l’ancien modèle faisait une distinction stricte entre les deux modes de production d'énergie dont nous avons déjà parlé, glycolitique et oxydatif (plus communément appelé anaérobie et aérobie). Ce modèle propose que les processus aérobie et anaérobie se produisent indépendamment l'un de l'autre, c'est-à-dire qu'à un moment donné, nous fonctionnons soit en aérobie, soit en anaérobie.

Ce modèle n'est plus en accord avec la littérature scientifique actuelle.

En réalité, les filières énergétiques oxydatives et glycolitique fonctionnent toute pour renforcer les niveaux de PCr et d'ATP entre les contractions musculaires. Toutes les filières se chevauchent et la période dans laquelle elles fonctionnent est de 0 à 100 millisecondes.

Par exemple, on peut décomposer ces 100 millisecondes en plusieurs étapes :

1. La filière des phosphagènes

Dans les 0 à 15 ms suivant la contraction musculaire, la PCr est décomposée pour resynthétiser l'ATPafin de permettre les contractions musculaires, ici il n’y a pas de grandschangements par rapport à l’ancien modèle.

2. La filière glycolitique

Afin de soutenir les contractions, nous avons besoin d'un approvisionnement énergétique glycolitique. Cependant, nous rencontrons un problème étant donné que les intermédiaires glycolytiques (glucose) dans un muscle sont limités. C'est là que nous devons nous appuyer sur les nouvelles preuves biochimiques, qui montrent que la glycogène phosphorylase peut augmenter rapidement son activité et, par conséquent, le glycogène peut être décomposé pour restaurer la PCr nécessaire pour maintenir les contractions car l'ATP provenant de la dégradation du glycogène et de la glycolyse restaure la PCR. Il y a production de lactate.

3. La filière oxydative

Le glycogène utilisé pendant l’étape 2 est resynthétisé à partir de l'ATP produit par l'oxydation du lactate. Cependant, les capacités d’oxydation du lactate sont limitées, ce qui explique l’accumulation du lactate dans les cellules musculaires.

Ce modèle est appelé « glycogène shunt » (Shulman et al., 2001), ou détournement du glycogène en français, et sa fonction physiologique est de fournir une libération rapide d'énergie nécessaire pour soutenir les contractions musculaires de l'ordre de 20 à 100 ms. 

Attention aussi aux faux raccourcis qui peuvent être fait à cause de la vision aérobie/anaérobie. Effectivement, l’intensité à la PMA ou la VMA ne doit pas être uniquement associé au terme « aérobie ». La PMA ou VMA est bien liée à une consommation maximum d’oxygène mais cela ne signifie pas que l’énergie est uniquement de source aérobie. Il faut bien aussi garder à l’esprit que la PMA ou VMA dépend du protocole de test réalisé.

Pour conclure sur les filières énergétiques

Schéma représentant l’interaction continue entre les différentes filières - PCr, Filière oxydative, glycolyse, ATP
Schéma représentant l’interaction continue entre les différentes filières

- L'oxygène est toujours présent, par conséquent, tout entraînement est aérobie, et les termes de seuils aérobie et anaérobie ne font plus vraiment sens. Dans le corps humain, il y a des processus qui sont indépendant de l’oxygène pour fonctionner mais il n’y a jamais de processus qui ont lieu en l’absence d’oxygène.  

- Le lactate est toujours présent, par conséquent, tout entraînement est «lactique». Le lactate n'est pas responsable de la fatigue, c'est plutôt une source de carburant.

- Les systèmes d'oxygène et de phosphocréatine (PCr) sont liés. Lorsque l'effort commence, l'oxygène et la PCr sont utilisés rapidement, contrairement au modèle traditionnel selon laquelle la PCr est utilisée en premier avant le début de la consommation d'oxygène.

- Tous les processus énergétiques se chevauchent dans le temps, et le laps de temps est en millisecondes contre quelques secondes à quelques minutes, cela se produit beaucoup plus rapidement que ce que le modèle traditionnel suggérait.

Ce modèle reste un modèle et il est par définition réducteur. Ce modèle ne prétend pas être exact car il sera toujours une simplification de la réalité, mais le but est de tendre le plus possible vers la réalité.

Ce modèle représente une moyenne et ne prend pas en compte le profil physiologique individuel de chaque athlète. En effet, tous les individus fonctionnent différemment, l’entraineur doit comprendre le fonctionnement de son athlète et faire en sorte que l’entrainement s’adapte à l’individu. C’est pour ça qu’il n’y a pas de recettes magique et applicable à tout le monde dans l’entrainement.

References

Mathieu Lambert

Article écrit par

Mathieu Lambert
Sport Scientist
Mathieu Lambert

La science de la performance sportive

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